Жизненный цикл металлургической продукции

Жизненный цикл металлургической продукции

 

Исключительно важно в  металлургии, исходя из задач получения  высокого качества готовой продукции  и эффективного использования энергии, обеспечить соблюдение необходимого температурного режима технологического процесса на всех переделах: от выплавки чугуна до термообработки, и во всех металлургических агрегатах, особенно, в металлургических печах.

Современное положение на рынке  характеризуется постоянно растущими  требованиями потребителей к качеству готовой продукции черной металлургии.

Обеспечение качества, что в настоящее  время является основной задачей  при осуществлении производственных и технологических процессов, начинается с определения химического состава  стали. Это обуславливается прямой связью всех свойств стали  с ее химическим составом. Необходимая микроструктура готовой стали, от которой зависят все её свойства, образуется в ходе процессов разливки, нагрева, прокатки и термической обработки.

Обеспечить высокое качество можно  только при систематическом контроле технологического процесса.

Технический контроль на металлургическом комбинате включает: плавочный контроль, контроль технологического процесса и  окончательный контроль готовой  продукции.

  Плавочный контроль выполняется в доменном и сталеплавильных цехах и обеспечивает получение информации о содержании элементов в выплавленном металле. Кроме этого, плавочный контроль может включать: определение качества выплавленной стали по макро- и микроструктуре, продольному излому, количеству неметаллических включений (НВ); определение механических свойств; определение чувствительности стали к закалке и другие испытания. Объем испытаний в плавочном контроле не одинаков и определяется требованиями ГОСТа или ТУ. 

Контроль технологического процесса проводится по всем переделам с целью обеспечения высокого качества продукции и исключения брака и осуществляется на основе заводских технологических инструкций.

В задачу окончательного контроля входит определение качества готового проката, соответствие его действующим стандартам, ТУ и специальным требованиям, в том числе, и заказчика. К нему относятся: химический анализ; определение механических свойств (испытания на изгиб, разрыв, пластичность, твердость, ударную вязкость и т.п.); контроль макро- и микроструктуры; контроль характеристик поверхности и точность размеров и профиля готовой продукции.

Таким образом, основными показателями, обеспечивающими получение заданного  качества металла, являются:

• состав;
• структура;
• состояние поверхности.

Температурный режим нагрева и охлаждения в ходе  проведения процессов выплавки, разливки и прокатки  определяет как качество продукции (структуру готового металла – перегрев и недогрев, окисление), так и затраты энергии (удельный расход топлива, электроэнергии, кокса) и ресурсов (расход воды, пара, защитного газа, количество брака, окалины и т.п.), уровень теплового и экологического загрязнения. Температурный режим работы влияет на стойкость элементов печей (кладки, муфелей и др.), длительность межремонтных периодов и объем ремонтов печей, сталеразливочного и прокатного оборудования.

    Таким образом, в металлургическом производстве имеются два основных параметра, определяющих технико-экономические параметры (ТЭП) функционирования как всего комбината в целом, так и каждого агрегата в отдельности: состав и температурный режим во всем цикле получения готовой продукции.

Состав практически закладывается  на двух первых переделах: выплавка чугуна и выплавка стали, и определяет его  потребительские механико-физические свойства. Температурный режим технологического  процесса является не менее, если не более важной характеристикой производства (см. рисунок 1),  интегральным параметром, определяющим достижение необходимого качества или его повышения в условиях действующего комбината.  Данный параметр отвечает также и за удельный расход энергии и, в значительной мере, за объем брака.

 

 

 

 

Состав, структура и качество поверхности  контролируются практически на всех переделах с помощью специальных  лабораторий ЦЛК и их соблюдение тщательно отслеживается  службой  ОТК комбината. Для выполнения данного  контроля используются высокоточные и достаточно дорогие приборы, как оперативного, так и стационарного  контроля в специализированных лабораториях.

Температурный режим работы доменной печи и сталеплавильных агрегатов  обеспечивает возможность получения  металла заданного состава и  проведения качественного выпуска чугуна и разливки стали.

Температурный режим охлаждения слитка в изложнице или в процессе кристаллизации на МНЛЗ определяет равномерность  химического состава, создает необходимую  первичную структуру заготовки  и качество ее поверхности.

Заготовка или слиток передаются в цех горячей прокатки или  в обжимной цех. Металл перед соответствующим  станом нагревается либо в нагревательных колодцах, либо в методических толкательных печах или печах с шагающими  балками или подом. Режим нагрева должен обеспечивать получение заданной температуры от 1150 до 1250 °С и минимального перепада по сечению заготовки от 10 до 30 °С. Управление температурным режимом  осуществляется практически только по показаниям зональных термоэлектрических термометров (ЗТТ). Оператор печей вводит изменения в режим их работы только на основании своего опыта по показаниям пирометров излучения (ПИ), контролирующих температуру раската на стане: после черновой клети, перед чистовой клетью, после чистовой клети и после участка душирования. Причем следует отметить, что он сам интегрирует измеренные значения на диаграммной ленте потенциометров по длине заготовки (определяет среднюю температуру, выбеги, наличие и уровень «темных пятен» от глиссажных труб и т.д.).

ОТК контролирует процесс по показаниям ЗТТ и ПИ, по качеству поверхности, полученным механическим свойствам и геометрическим параметрам готовой продукции, определяя их соответствие  ГОСТу или ТУ.

Горячекатаные  рулоны листовой стали передаются в цеха холодной прокатки, где на первом этапе в агрегатах травления с поверхности удаляется оксидная пленка. Управление процессом ведется по температуре заданного состава травильного раствора. ОТК контролирует состояние поверхности металла перед станом холодной прокатки.

На стане холодной прокатки контролируется скорость прокатки и режим обжатия в отдельных клетях, а также разнотолщинность готовой полосы.

Термообработка (ТО) или  химико-термическая обработка (ХТО) стальной полосы проводится в печных агрегатах двух типов: садочных – колпаковых (одностопных или трехстопных) печах или протяжных (непрерывного отжига) – горизонтальных (ГП) или башенных (БП) печах. С точки зрения качества более предпочтительными являются протяжные печи. В них обеспечивается получение более однородной структуры по длине полосы, ее лучшая планшетность, исключается брак по свариваемости металла.

ОТК контролирует процесс  по соответствию конечных механических свойств заданных ГОСТом или ТУ, состоянию поверхности, по показаниям ЗТТ и ПИ, длительности отдельных периодов отжига. Последнее выполняется только для колпаковых печей.      

Температура измеряется с помощью  двух методов: контактного и бесконтактного и точность ее измерения поддерживается метрологической службой. Контроль температуры жидкого металла  в доменном процессе (на желобе, в ковше) и в сталеплавильном процессе (в ванне конвертера, в промежуточном ковше и т.п.) достаточно отработан и проводится дискретно термоэлектрическими термометрами погружения со сменными блоками. Однако, в настоящее время появилась тенденция создания систем непрерывного контроля температуры ванны в конверторах и печи-ковш с помощью специальных  пирометров излучения.

В прокатных цехах  контролю температуры  уделяется недостаточное внимание.

В нагревательных и термических  печах (за очень редким исключением) температура металла практически не измеряется – управление процессом ведется по косвенному параметру – температуре зоны.

Контроль температуры металла  на прокатных станах осуществляется с помощью пирометров излучения  только в отдельных точках, причем при их использовании не учитываются методические погрешности данного метода контроля, связанные:

- с переменной степенью черноты  (спектральной или интегральной) объекта измерения, зависящей  от уровня температуры, химического  состава металла, состояния его  поверхности, угла визирования, спектрального диапазона пропускания оптики ПИ;

- с фоновым излучением;

- с влиянием промежуточного  слоя воздуха, содержащего трехатомные  газы (СО₂, Н₂О, SO₂).

Исключительно важным при измерении  температуры металла на стане  является знание действительной степени черноты, значение которой используется для введения коррекции в показаний ПИ, который градуируется по абсолютно черному телу (АЧТ) в лаборатории. Таким образом, все метрологические характеристики данного прибора для бесконтактного измерения температуры (класс точности, погрешность измерения) действительны только для АЧТ. Реальные металлы, сплавы, огнеупоры по своим излучательным характеристикам  существенно отличаются от АЧТ. Причем, излучательные характеристики известны лишь для ограниченного числа марок стали, узких интервалов температуры и только для отдельных диапазонов длин волн. 

Методические погрешности, возникающие  из-за неизвестных спектральных и  интегральных показателей степени  черноты металла, фонового излучения, запыленности, наличия влаги и паров, неточного визирования, влияния селективно излучающих и поглощающих газов, загрязнения оптики и т.п., учитываются не в полном объеме, а введение точных поправок на степень черноты трудно достижимо, т.к. эти данные весьма специфичны и практически недостаточно известны. Например, ошибка в величине задаваемой степени черноты в 0,1 приводит к погрешности от 15 до 60 и более °С в зависимости от уровня температуры, спектрального диапазона приемника излучения и т.п.

Контроль соблюдения температурного режима нагрева заготовок в нагревательных печах основан на показаниях ЗТТ. Результаты исследований температурных режимов нагрева металла, выполненных на печах станов 2000 ОАО «ММК», ОАО «НЛМК» и стана 2500 ОАО «ММК», стана 800 ОАО «ЧМЗ» и других, свидетельствуют о том, что показания ЗТТ могут значительно отличаться от действительной температуры металла, что приводит к перегреву металла и интенсивному окалинообразованию, а так же к перерасходу топлива и снижению стойкости печи – увеличению числа и стоимости ремонтов.

Ошибка измерения, возникающая  за счет влияния излучения кладки, которая перегрета относительно металла, может достигать 50- 200 °С.

В агрегатах непрерывного отжига ошибка измерения температуры полосы в  печи с помощью ПИ может достигать 15-80 °С за счет неизвестной степени черноты и фонового излучения кладки. Для исключения указанных погрешностей МИСиС разработаны и внедрены на БП №1 и 2 ЛПЦ-2 «НЛМК» (функционируют с 1980 г. по настоящее время) комбинированные установки для контроля действительной температуры полосы в печи. Она включает в свой состав пирометр частичного излучения (ПЧИ), визированный на полосу, и контактный термоэлектрический термометр скользящего типа для периодической градуировки ПЧИ не в лабораторных, а в реальных условиях действующего печного агрегата.  Точность измерения температуры  ±(6- 8) °С.

ОТК контролирует работу БП №№1 и 2 ЛПЦ-2 «НЛМК» по содержанию углерода в полосе после печи и по температуре полосы на входе в камеру выдержки, измеряемой указанной установкой, которая должна находиться в пределах 790 ±10 °С.

В то же время следует отметить, что измерению температуры не уделяется такого же внимания, как  контролю состава стали, её структуры, механических и физических свойств  и состояния поверхности металлопродукции. Отсутствует система контроля за ПИ – метрологическое обеспечение по АЧТ в лаборатории цеха КИПиА воспроизводит только инструментальные характеристики устройств, реализующих бесконтактный метод измерения температуры металла, и не отвечает современным требованиям по точности измерения данной величины в условиях производства.

ПИ должны иметь систему  представления  измеренного значения не в виде записи на диаграммной ленте потенциометра, а систему компьютерной обработки  измерительного сигнала и представления обслуживающему персоналу. Процессы прокатки, нагрева и термообработки в настоящее время характеризуются высокими скоростями. Современные пирометры частичного излучения и спектрального отношения могут измерять температуру за 0,01-0,02 с, т.е. обеспечить получение температурного профиля прокатываемой полосы (или другого изделия) в темпе с процессом и представить исчерпывающую информацию о реальном температурном графике обработки металла.

Это позволит обеспечить  управление качеством металла на новом более высоком уровне, создаст современные условия работы для ОТК и технологов, обеспечит переход на новые технологии производства с меньшими затратами, а также позволит создать новые технологии.

Недостаточно достичь  желаемого уровня качества только для отдельной партии: однажды достигнутый  уровень должен постоянно поддерживаться.

В деле воспроизводимости технологического процесса важное значение имеет температурный  режим работы агрегатов, который  в настоящее время не свободен от существенных недостатков.